林正良，肖鹏飞，李 弘，俞建宝，吕 慧

(1. 中国石化石油物探技术研究院，江苏南京 210014；2. 中国石油大学(北京)，北京 102249)



甘孜地区雅拉河段地热系统特征及控制因素

林正良1，2，肖鹏飞1，李 弘1，俞建宝1，吕 慧1

(1. 中国石化石油物探技术研究院，江苏南京 210014；2. 中国石油大学(北京)，北京 102249)

综合应用区域地质、地震、地球化学等资料，对甘孜地区雅拉河段地热系统及其主控因素进行研究。分析认为，甘孜地区地热属于典型的对流型地热系统，雅拉河断裂破碎带及板岩中发育的大量裂隙共同构成了研究区的热储体，这些热储体沿雅拉河断裂带不均匀分布。研究区充沛的大气降水以及季节性的冰雪融水为地热系统提供充足的水源。雅拉河断裂与色拉哈断裂之间大范围相对平坦的区域以及大量储水洼地为地热系统中的水源提供存储空间。该地区地表裂隙发育，利于地表水向下渗透，是地下水的主要补给通道。色拉哈断裂的强烈活动为浅层地下水在重力作用下进一步向深层运移提供重要流体通道。雅拉河断裂带的地势相对低，断裂破碎带是深层流体上涌的重要通道。在流体供给区与出露区的重力势能差以及两条走滑断裂带压力差共同作用下，流体经深部热源加热后在流体通道内形成持续的热流体循环系统。

甘孜地区 雅拉河断裂 色拉哈断裂 构造特征 地热系统

Lin Zheng-liang, Xiao Peng-fei, Li Hong, Yu Jian-bao, Lü Hui. Characteristics of the geothermal system and control factors in the Yalahe reach, Ganzi area [J]. Geology and Exploration, 2015, 51(4): 0764-0771.

地热是一种具有较高温度、含有特殊化学成分或气体成分的特殊的地质流体，是集热、矿、水三位于一体的清洁而宝贵的矿产资源(李保珠等，2011)。地热资源的形成与区域地质条件以及构造特征紧密相关，在理论研究方面，主要包括研究区域以及全球地热场的特点、地壳的热状态、岩石圈的热结构、地球的热演化历史以及由它们所反映的地质和地球物理过程(Chapmanetal.,1977；闫秋实等，2012)。在应用研究方面，主要包括地热资源的赋存状态和形成机制(李铎等，2002)，地热系统的分布特点和资源定量评价(夏跃珍等，2014)，盆地构造热演化特征(孙少华等，1995；蒋林等，2013)以及盆地热流体运动及演化特征等(周立岱，2005)。

针对地热的成因及控制因素，前人进行了大量的研究(李保珠等,2011；梁长军等，2006)。实践证明，对流型地热系统中走滑断裂带与地震活动和地热空间分布之间具有密切的联系(李先福，2000；李志成等，2014)。甘孜地区处在地中海-喜马拉雅缝合地热带的东部的鲜水河走滑构造带上，区内水资源丰富，地形高差大，构造运动频繁，具有独特的地热发育背景(武斌，2013)。位于鲜水河断裂带的甘孜地区地热资源丰富，温泉占川渝温泉总数的60.66%，占全国温泉总数的6.62%，多数温泉呈自然出露状态(傅广海等，2009)。多年的地热勘探与普查表明该地区具有良好的地热勘探前景。但由于该地区地质条件复杂，地热资源在成因上也不尽相同，从而给该地区地热资源的高效开发和利用也带来一定的困难。笔者结合前人对鲜水河断裂带及其周缘地区的大量研究成果，从地热系统出发，重点分析鲜水河断裂带中段的热点勘探地区色拉哈-雅拉河段热储特征，并系统分析了该地区地热资源的形成条件及主控因素。

1 区域地质以构造特征

1.1 鲜水河断裂带特征

鲜水河断裂带是展布于中国川西北高原上一条现今强烈活动的大型地震断裂带，无论是在活动断裂的类型还是地震发育规律方面都极具代表性。

鲜水河断裂带北起甘孜县东谷区地卡苏，向南经过炉霍县、道孚县、康定县，至石棉县安顺场逐渐减弱并消失，鲜水河断裂带全长约400 km，总体走向320°～330°，呈略向北东方向凸出的大型弧形走滑断裂带(图1)。鲜水河断裂带在空间上具有明显的分段性，可划分为北西段、中段以及南东段三大段，各段内断裂的几何形态和内部结构又有较大差异性。在空间上，鲜水河断裂带主要包括8个次级断裂，从北西至南东分别为炉霍、道孚、乾宁、色拉哈、雅拉河、折多塘、雪门坎和磨西等段(张景发等，1996；安艳芬，2010)。

图1 鲜水河断裂带区域概图(据安艳芬，2010)Fig.1 Regional map of the Xianshuihe fault zone(after An, 2010)1-地块边界；2-断层；3-走滑方向；4-地表水系；5-研究区；6 -地名；7-历史地震1-block boundary；2-fault；3-strike-slip direction；4-surface water system；5-study area；6-place name；7-historical earth quake

鲜水河断裂带在大地构造上位于四川西部一级构造单元松潘-甘孜地槽褶皱系内部，北东侧为巴颜喀拉块体，南西侧为川滇菱形块体(骆佳骥等，2012)。鲜水河断裂带是两个二级构造单元的分界线，断裂两侧构造单元特征各异，呈断层接触关系。断裂带的南东端插入一级构造单元的华南块体内部。

鲜水河断裂带及邻近地区的地貌受构造控制形成山川并列的格局，走向由北西-南东逐渐向南偏转，最后呈近南北走向，整体表现为左行走滑特征。近年来对鲜水河断层几何学运动学的研究表明，断裂的水平最大走滑距离在80km左右，走滑速率向断裂两端逐渐变小，详细的断裂几何学运动学研究表明，鲜水河断裂具有围绕喜马拉雅东构造带顺时针旋转的特征(Wangetal.,2000)。

1.2 鲜水河断裂活动特征

由于强烈的构造活动，鲜水河断裂带成为中国西部地震高发区。自1725年有地震记载以来，鲜水河断裂带迄今共发生七级以上地震8次，6～6.9级地震14次，约占整个川西地区同级地震总数的一半(张希等，2012)。研究者常把这一带划分为鲜水河地震带。前人对1970 ～2007年川西地区2.5～4.6级地震小震震中的分布研究，近30年来小震沿鲜水河断裂带呈狭窄的条带状分布(朱艾斓等，2005)，且最近10年来地震活动频率显明增高。震源深度介于4.8～84km，且多数地震的震源深度小于33km。地震活动的时空分布特征表明鲜水河断裂带活动具有时间上的持续性、空间上的原地重复性以及分段活动强度的差异性。而较强的断裂活动形成的应力的集中与释放可以产生大量热能，同时断裂构造也具有一定的导热和储热作用(欧阳成甫等，2002)。

走滑断裂的滑动速率可以定量反映出走滑断裂的活动强度，李天祒(1997)依据年代学及地貌学方法，推算出鲜水河断裂带各分支断裂近代的平均滑动速率(李天祒，1997)。鲜水河断裂带北西段滑动速率明显大于南东段，推测可能与断裂的展布特征有关，北西段断裂较为单一，而南东段由多条次级断裂分担了活动速率(图1)。而位于鲜水河断裂带中段的色拉哈断裂带的滑动速率显明高于雅拉河断裂，地震活动也主要集中在色拉哈断裂带一侧(图2)。

1.3 研究区地层特征

图2 鲜水河断裂带滑动速率Fig.2 Slip rates of the Xianshuihe fault zone

色拉哈断裂与雅拉河断裂具有明显的差异性。从断裂的空间位置以及滑动速率可以判断色拉哈断裂属于鲜水河断走滑裂带的主断裂，而雅拉河断裂为调节性次生走滑断裂。从产状上来看，色拉哈断裂断面较陡倾，断层倾角77°～85°，雅拉河断裂断面倾角变化较大为77°～85°。从断裂破碎带宽度来看，色拉哈断裂的断裂破碎带较宽，约200～300m左右，雅拉河断裂的断裂破碎带变化较大，约80～300m左右。从走滑断裂活动特征上看，色拉哈断裂的滑动速率明显高于雅拉河断裂，滑动速率超过雅拉河断裂的三倍(图2)。

2 研究区地热特征

地热系统根据地质环境和热量传递方式可分为对流型地热系统和传导型地热系统(Rybach，1976)。在研究区的雅拉河流域，有大量出露于地表的地热泉点以及目前已经消亡的温泉所形成的钙化锥。目前活动的温泉多以串珠状泉群的方式出露地表。自然出露泉点的流量介于0.02～40L/S。这些泉点整体以对流传热为主，在平面上呈条带状沿雅拉河谷分布，属于典型的带状热储温泉类型。甘孜地区地热属于典型的对流型地热系统。

2.1 总矿化度特征

研究区发育大量的露天泉点，泉水温度分布范围广。根据出露地表的泉水温度可以将研究区的泉点划分为冷泉(<20℃)、温泉(20～40℃)、温热泉(40～60℃)以及热泉(60～90℃)等五种类型(表1)。

表1 泉点矿化度特征

在数量上，冷泉数占到总泉数量的40.6%，大量冷泉发育表明研究区浅层循环系统发育，说明地下水在未经过深部热源的加热，直接沿浅层流体通道出露地表。在空间上，不同温度的泉点分布并无明显规律，表明研究区地下流体通道的类型与分布非常复杂，需要从热储体的成因以及控制因素上作进一步的分析。

通过对研究区32个泉点的矿化度统计可见，泉水的总矿化度具有随温度的升高而增大的趋势(图3)。冷泉的矿化度普遍偏低，平均为204mg/L。温度接近的不同泉点的总矿化度分布范围较广，说明在来自深层的热流体在上涌并出露地表之前，在地层中与浅层循环通道中的冷水发生了不同程度的水体混合作用，从而导致了出露泉水温度以及矿化度的降低。

图3 泉点温度-矿化度交汇图Fig.3 Temperature-salinity cross-plot of springs

2.2 热储特征

在地热系统中，热储温度是划分地热系统的成因类型和评价地热资源潜力所不可缺少的重要参数，但是热储温度在通常情况下难以直接测量，只能通过间接的方式获得。地热温标方法是提供这一参数经济有效的手段(汪集旸，1996)。SiO2温标是基于水溶液中硅的浓度是由水-岩相互作用时不同温度下硅的溶解性决定的。水体中的SiO2主要来自热水溶解岩石中的石英所形成，其含量取决于所处环境的温度以及在地层中运移的距离。水体所流经地层的温度越高、流经的距离越远，SiO2的含量就越高。因此，SiO2是重要的地热温标之一，通过利用热水中的SiO2溶解度与温度的关系可以估算地下热储温度，在多数情况下误差仅有±3℃(汪集旸等，2001)。这种方法的适用条件是出样品点的温度低于沸点值，研究区的出露泉点的最高温度约84℃，因此可以使用SiO2地热温标来近似的计算地下热储的温度。

热储温度的计算公式如下：

式中：T，热储温度，单位℃，

C，SiO2浓度，单位，×10-6。

通过对研究区沿雅拉河断裂分布，且出露泉点温度大于25℃的15个泉点的热储温度计算，研究区热储的温度介于123.9～148.6℃。由北向南热储温度变化较大，但是温度较高的热储多位于雅拉河断裂的弯折处(如Q01、Q07泉点)，说明其分布与雅拉河断裂活动特征密切相关。雅拉河断裂破碎带及板岩中发育的大量裂隙共同构成了研究区的热储体，这些热储体沿雅拉河断裂带不均匀分布。

图4 SiO2浓度与热储温度Fig.4 SiO2 concentration and temperature of geothermal reservoir

2.3 储集层及盖层特征

优质的储盖组合是热储体有效保存的必要条件。储热层最好是孔隙度高的地层，使热水得到富集，而且孔隙的连通性要较好，易于热水的流动。同时，热储上部的低渗透盖层能为热流体的大量富集提供保障。

研究区雅拉河断裂带岩性以脆性板岩为主，由于活动断裂的垂向切割作用，形成了百余米宽的断裂破碎带。断裂破碎带裂隙的物性在空间上变化大，孔隙性以及渗透性好的地区可为地下水的向上运移提供通道以及储集空间。

断裂破碎带物性差的地区可以垂向形成封堵，成为下覆热储的局部盖层。因此，研究区热储集层的空间分布与断裂关系紧密。另外，沿雅拉河谷分布巨厚的第四系卵石层，其最大沉积厚度接近80m，其中下部已形成半胶结-胶结地层。其中胶结好的地层可以成为下覆热储有效的浅部盖层。

3 地热系统分析

3.1 地表水源特征

水是地热能量的载体，充足的补给水源是形成大型地热系统的物质条件。甘孜地区地表水充沛，可以为地热系统提供充足的水源。甘孜地区位于青藏高原东部，属半湿润季风高原型气候，年平均温度7.1℃，年均降雨量为795.0mm。其特点是冬季干冷晴天多，夏季温凉雨水集中，干湿两季比较明显。太阳辐射强，气温日较差大，山地垂直气候分带变化明显。冬半年(11～4月)受西风带青藏高原干冷气流控制，降水稀少，干燥度大，昼夜温差大，日照强，多晴天和大风，雨雪稀少，大陆性气候显著。夏半年(5～10月)受印度洋西南季风和太平洋东南季风制约，温凉多雨，降水集中，湿润多雨无酷暑，以温湿气候为主要特点，六月份降雨量大，平均月可达到165mm。

另外，研究区内高山林立，其中海拔最高的雅拉神山最高峰达到5820m。位于4800m雪线之上的多个主峰终年积雪，同时也积累了大量的季节性水资源。因此，研究区夏半年近地表水资源充沛，大气降水以及季节性的高山冰雪融水为地热系统提供充足的水源补给(图5)。

图5 甘孜地区地表形态图Fig.5 Surface morphology of the Ganzi area

3.2 研究区地貌特征

地表形态对于水体的保存以及迁移方式具有重要的控制作用。雅拉河西岸与色拉哈断裂之间的地区地势相对平坦，有利于地表水的有效保存。

在研究区雅拉河断裂与色拉哈断裂之间的条形区域地势相对较高，同时发育有大范围相对平坦的区域以及大量不同规模的储水洼地(图5)。这些地区可以使地表水不会以地表径流的形式快速的流失，并且可以在一定时间内得以有效保存，这些保存在地表的水体可以成为该地区地热系统中重要的水源。而雅拉河东侧地区地势相对陡倾，水体主要以地表径流为主，因此与雅拉河西岸地区相比，该地区地表水易流失，不利于有效保存。

3.3 流体通道

具有使地下水发生垂向环流的裂隙系统是对流型地热系统的必要条件。色拉哈断裂与雅拉河断裂由北至南的带状地带地表裂隙发育，有利于地表水向下渗透，是地下水的主要补给区域。

研究区地表切割强烈，沟谷纵横。色拉哈断裂与雅拉河断裂在研究区相距大约2～5km，由于构造活动强烈，加上昼夜温差大，在强烈物理风化作用下，其间地表的岩体较破碎。该区主要受近东西方向构造应力的作用，形成了北西向断裂为主的构造体系。同时，在走滑作用下，这种应力状态进一步复杂化，在北东、北西方向上形成了密集的纵张裂隙发育区，这些纵张裂隙为地表水的下渗提供了必要的通道。

通过对研究区地表130条裂隙的走向进行统计，雅拉河西岸裂隙相对发育，裂隙在空间上走向变化较大；雅拉河东岸裂隙相对较少，走向以北东向为主，并发育少量北西走向的纵张性裂隙(图6)。因此，两条断裂之间由北至南带状地带为地表水的下渗提供重要的流体通道。由于大量裂隙的存在，研究区浅层地下水资源丰富，从而形成大量的浅层流体循环系统。

图6 雅拉河断裂带地表裂隙走向玫瑰花图(a，雅拉河西岸地区；b，雅拉河东岩地区)Fig.6 Strike rose diagrams of surface fractures of the Yalahe fault zone(a)-west bank of Yalahe; (b)-east bank of Yalahe

由于色拉哈断裂的强烈活动，在深切基岩的同时，在断裂附近形成一定范围的纵向破碎带，这条破碎带与浅层裂隙系统沟通，并可以成为浅层地下水在重力作用下进一步向深层运移的重要流体通道。雅拉河断裂带的地势相对低，其断裂破碎带可以成为深层流体上涌的重要通道。

3.4 研究区深部热源

热源是形成有效地热系统的必要条件。白登海等(2010)在东喜马拉雅构造结及周围地区实施了连续六年的大地电磁观测，获得了青藏高原东部岩石圈电性结构的初步认识(Bai，2010)。通过对四条大地电磁剖面的理论计算得到两条中下地壳的弱物质流，其中一条从羌塘地体沿金沙江断裂带、鲜水河断裂带向东延伸，在四川盆地西缘转向南，最后通过小江断裂和红河断裂之间的川滇菱形块体。

研究区热储的温度主要取决于循环深度和地热系统所处的区域热背景，在一定的热背景条件下，热水循环深度越大，热储体的温度越高。通过鲜水河断裂带的这条大规模的低阻弱物质流位于断裂带的西侧，为该地区最主要的深部热源。因此，从鲜水河断裂带西侧的色拉哈断裂带下渗的地表水经过深部热源的加热后，与活动性强烈的雅拉河断裂带形成热对流，更利于形成大型的热储体，而断裂带的东部地区深部热源相对不发育。这对目前该地区地热勘探中寻找热储有利分布区具有重要的意义。

4 流体循环系统

研究区流体在地层中循环的动力主要来自流体供给区与出露区地表高差引起的重力差以及两条走滑断裂在滑动过程中在地层内部形成的压力差。

雅拉河西侧高地水源供给区与雅拉河谷的地热出露区由于地表高差巨大，最大高差接近1200m，从而在重力作用下形成巨大的势能差，这个势能差可为地下流体在不同深度流体通道中的持续流动提供充足的能量，并在地层中形成多样的自循环系统。这种形式从对流机理上来说属于典型的受迫对流。

另外，由于色拉哈断裂的活动强度比雅拉河断裂强(图2)，在区域性的压扭应力状态下，色拉哈断裂带的深部地层压力也要大于雅拉河断裂带。因此，在两条走向近平行断裂带之间的地层孔隙之中会形成近东西方向的压力差，而低压区正好指向雅拉河断裂带。来自西侧的色拉哈断裂带下渗的水体，经过深层热源加热后，在渗透性地层中可向东侧的雅拉河断裂带方向运移，形成深部侧向移动。因此，研究区内这两条高角度走滑断裂的差异活动所形成的水平方向的地层压力差进一步强化了研究区不同深度流体循环作用。

5 结论

从热储的形成条件来看，研究区具有优良的地热系统时空配置。雅拉河地区充足的水源供给为地热系统提供了物质基础。地表裂隙以及走滑断裂的发育为地表水不断下渗以及深部热水上涌提供了良好的流体补给运移通道，而深部热源为热储体提供稳定的热能供给。最后，研究区的地表高差形成的重力势能差以及两条走滑断裂带的差异活动为热流体持续循环提供了稳定的能量。色拉哈断裂带位地下水的补给区，活动性相对较强，不但可以成为深部水循环的下渗通道，同时靠近热源区，与活动性相对较弱的雅拉河断裂带共同构成了研究区优质的地热系统，其形成模式如图7所示。

从雅拉河流域近地表地温以及高温泉点的分布特征来看，高温区主要分布在断裂走向变化大的地区，因此，研究区地热勘探目前要解决的关键问题是雅拉河断裂带的精细研究。通过寻找断裂活动相对强烈，裂隙相对发育的区域，同时在上涌通道中没有与浅部冷水沟通的优质热储体。通过雅拉河断裂带地层物性的精细研究也可为寻找优质热储体提供重要的保障。

图7 甘孜地区雅拉河段地热系统模式Fig. 7 Geothermal system model of the Yalahe reach, Ganzi area1-花岗岩；2-混合岩；3-板岩；4-断裂破碎带；5-走滑断层；6-地表裂隙；7-大气降水；8-季节融水；9-蓄水洼地；10-冷水通 道；11-热水通道；12-温泉；13-冷泉1-granite；2-migmatite；3-slate；4-fault fracture zone；5-strike-slip fault；6-surface fracture；7-meteoric water；8-seasonal meltwa ter；9-waterhole；10-cold water channel；11-hot water channel；12-hot spring；13-cold spring

致谢 文中地热水文分析测试数据由四川省地质工程勘察院提供，研究过程中得到了中石化新星公司多位专家的大力帮助，在此一并表示衷心的感谢！

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Characteristics of the Geothermal System and Control Factors in the Yalahe Reach, Ganzi Area

LIN Zheng-liang1,2, XIAO Peng-fei1, LI Hong1, YU Jian-bao1, LU Hui1

(1.SinopecGeophysicalResearchInstitute,Nanjing,Jiangsu210014;2.CollegeofGeosciencesinChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249)

This study is based on regional geology, earthquakes and geochemistry. The purpose is to analyze the geothermal system characteristics and main influence factors of the Yalahe reach, Ganzi area. The results indicate that the Ganzi area is a typical convection geothermal system. The Yalahe fault zone and a large number of associated fractures in slate constitute the geothermal reservoirs in the study area. These geothermal reservoirs are unevenly distributed along the Yalahe fault zone. Abundant atmospheric precipitation and seasonal meltwater provide adequate underground water for the geothermal system. The broad relatively flat area and a lot of waterholes for the geothermal system offer the water storage space between the Yalahe fault zone and the Selaha fault zone. Surface cracks in the region, in favor of surface water downward penetration, are major underground water recharge channels. Intense activity of the Selaha fautl plays a critical role in the shallow water migration toward the deep subsurface under gravity. The Yalahe fault zone is located in a relatively low-lying area, in which fractures are important channels upwelling fluids from depth. The surface elevation difference between the fluid supply area and the exposed area and the pressure difference between the two strike-slip faults generate the continuous thermal fluid circulation system, which is formed in the fluid migration pathways after the deep heat source heating.

Ganzi area, Yalahe fault, Selaha fault, structural characteristics, geothermal system

2014-12-10；

2015-04-16；[责任编辑]郝情情。

国家重点基础研究发展计划(973)项目(编号 2014CB239201)以及国家自然科学基金项目(编号 41272722和41172123)资助。

林正良(1978年-)，男，2011年毕业于中国地质大学(武汉)，获博士学位，高级工程师，长期从事资源勘查工作。E-mail: lzl-lll@163.com。

P314

A

0495-5331(2015)04-0764-08